基于反求工程的人工骨三维重建研究

【摘要】：目前,人工关节主要是按标准系列生产,但由于患者关节存在外形、尺寸等各种各样的差异,人工关节假体与骨骼不能形成紧密的匹配,从而使负荷传递、应力分布偏离正常水平,易导致术后并发症,降低人工关节的使用寿命。因此,精确获取病患骨的相关几何参数,设计并制造个性化的人工关节对提高患者假体与骨的匹配程度,从而提高人工关节使用寿命具有十分重要的意义。 首先,本工作以人体下肢的CT切片为原始数据,利用反求工程技术对人体下肢的骨骼进行三维重构,实现由二维图像向三维立体图形的转化。三维重建过程中,通过图像处理,以及NURBS曲面的拟合生成了三维实体模型。并且将所获得的实体模型与所获得的初始点云进行了对比,确保了模型的精度。将所获得的CAD模型以STL格式输出,可以输入到快速原型机加工出骨骼实体。完成了CAD/CAM的接口的建立,实现人工骨骼由设计到制造的一体化。为个性化人工关节的设计和制造提供模型基础及几何设计依据,为其能在临床上得以应用提供科学理论依据并奠定坚实的基础。 其次,髋关节是人体所受载荷最大的关节之一,而在髋关节中股骨起着最重要的作用。本工作将三维重构获得的股骨实体模型进行有限元网格划分并进行仿真分析。将与股骨相连接的肌肉对股骨的作用力进行了合并与简化,股骨本身的材料也简化为分布均匀且各向同性的材料。研究了人体站立及行走两种情况下,股骨的应力应变。仿真结果显示,应力集中部分主要是股骨干的中下端部位。在站立时,股骨内侧压应力为20.8MPa,而股骨的外侧所受的拉应力为18.5Mpa。在行走时,股骨的内侧压应力值为27MPa,外侧的拉应力为20MPa。人体在运动过程中,对股骨的受载情况以及容易发生骨折的部位进行了分析讨论,从而为人工关节的性能方面提供了一定的理论依据。